Chapter12:大容量存儲器結構磁盤結構磁盤調度磁盤管理交換空間管理RAID結構磁盤附屬穩(wěn)定存儲實現(xiàn)第三級存儲結構磁盤結構磁盤驅動器：一個一維的邏輯塊的數(shù)組邏輯塊：最小的傳輸單位物理結構：柱面道扇區(qū)磁臂磁盤通過I/O總線和計算機連接：EIDE,ATA,SATA,USB,FibreChannel,SCSI,SAS,Firewire磁盤控制器磁盤示意圖地址映射關系邏輯地址：（邏輯塊號p，塊內偏移o）物理地址：（柱面c，道t，扇區(qū)s，扇區(qū)內偏移o）p/每道扇區(qū)數(shù)Q1sQ1/每柱面道數(shù)ct磁盤特性磁盤旋轉速度：60–250轉/秒磁盤傳輸速率（Transferrate）：

在磁盤和計算機間傳輸數(shù)據(jù)的速率。定位時間/隨機訪問時間（Positioningtime，random-accesstime)：

尋道時間（seektime）：移動磁臂到所需柱面的時間；旋轉延遲(rotationallatency）：等待扇區(qū)移動到磁臂下的時間磁盤特性（續(xù)）磁盤半徑：3.5”,2.5”,1.8”磁盤容量：30GB-3TB性能傳輸率（理論）：6Gb/sec傳遞的總的字節(jié)數(shù)除以傳輸時間有效傳輸率（真實）：1Gb/sec尋道時間：3ms-12ms平均尋道時間：1/3磁道移動（1ms-4-ms)旋轉延遲1/(RPM*60)平均：1/2例子AccessLatency=Averageaccesstime=averageseektime+averagelatency快速磁盤：3ms+2ms=5ms慢速磁盤：9ms+5.56ms=14.56msAverageI/Otime=averageaccesstime+(amounttotransfer/transferrate)+controlleroverhead例子：4KB塊，7200RPM磁盤，5ms平均尋道時間，1Gb/sec傳輸率，0.1ms控制開銷：5ms+1/(7200/60)sec+4KB/1Gb/sec+0.1ms=5.1ms+4.17ms+4/131072sec=9.27ms+.03ms=9.3ms第一個商業(yè)磁盤1956IBMRAMDAC計算機包括

IBMModel350磁盤存儲系統(tǒng)5M(7bit)characters50x24”plattersAccesstime=<1second磁盤附屬磁盤存儲有兩種方式：通過I/O端口，主機附屬存儲通過網(wǎng)絡連接，網(wǎng)絡附屬存儲網(wǎng)絡附加存儲存儲區(qū)域網(wǎng)絡磁盤調度操作系統(tǒng)的職責之一就是有效的使用硬件。對磁盤驅動器，要保證較快的訪問速度訪問時間包括：尋道時間：磁臂將磁頭移動到包含目標扇區(qū)的柱面的時間。旋轉延遲：磁盤需要將目標扇區(qū)轉動到磁頭下的時間。將尋道時間減到最小尋道時間尋道距離磁盤調度（續(xù)）有幾種磁盤I/O請求的服務調度算法。假定我們有一個請求序列(0-199).：

98,183,37,122,14,124,65,67

磁頭當前位置在53先來先服務FCFS總的磁頭移動為640柱面。SSTF最短尋道時間優(yōu)先從當前磁頭位置選擇最短尋道時間的請求。SSTF調度基本上是一種最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）調度，可能導致一些請求得不到服務。SSTF(Cont.)總的磁頭移動為236柱面SCAN掃描算法磁臂從磁盤的一端向另一段移動，沿途響應服務請求。當?shù)竭_另一端時，磁頭改變移動方向，繼續(xù)處理。磁頭在磁盤上來回掃描。有時被稱為電梯算法。SCAN(Cont.)總的磁頭移動為208柱面C-SCAN提供比SCAN算法更為均勻的等待時間。磁頭從磁盤一段移到另一端，隨著移動不斷的處理請求。不過，當磁頭移到另一端時，馬上返回到磁盤開始，返回時并不處理請求。將柱面當作一個環(huán)鏈，將最后柱面和第一柱面相連。C-SCAN(Cont.)總的磁頭移動為383柱面C-LOOKC-SCAN的一種形式。磁頭只移動到一個方向上最遠的請求為止。接著，它馬上回頭，而不是繼續(xù)到磁盤的盡頭。C-LOOK(Cont.)總的磁頭移動為323柱面磁盤調度算法的選擇SSTF較為普遍且很有吸引力。SCAN和C-SCAN對于磁盤負荷較大的系統(tǒng)會執(zhí)行的更好。性能主要依賴于請求的數(shù)量和類型。磁盤服務請求很大程度上受文件分配方法所影響。磁盤調度算法應作為一個操作系統(tǒng)的獨立模塊，如果有必要，可以替換成另一個不同的算法。SSTF或LOOK是比較合理的缺省算法。磁盤管理低級格式化（或物理格式化）——將磁盤分成扇區(qū)以便磁盤控制器能讀和寫。為了使磁盤能保存文件，操作系統(tǒng)還需要在磁盤上記錄它自己的數(shù)據(jù)結構。將磁盤分成由一個或多個柱面組成的分區(qū)。邏輯格式化，或稱為“創(chuàng)建文件系統(tǒng)”。引導塊初始化系統(tǒng)。自舉程序保存在ROM中。自舉程序裝載程序。使用諸如扇區(qū)備用的方法來處理壞塊。低級格式化例子磁盤的格式化Gap1IDField0Gap2DataField0Gap3Gap1IDField1Gap2DataField1Gap3Gap1IDField29Gap2DataField29Gap3177415152017741515201774151520≈≈SynchByteDataCRC15122SynchByteTrack#Head#Sector#CRC12113BytesSectorPhysicalSector0PhysicalSector1PhysicalSector29Bytes600Bytes/SectorMS-DOS的磁盤布局高級格式化引導區(qū)壞塊交換空間管理交換空間－虛擬內存使用磁盤空間作為內存的擴充。交換空間在普通文件系統(tǒng)上加以創(chuàng)建，或在一個獨立的磁盤上進行分區(qū)。交換空間管理在文件上創(chuàng)建Windows分區(qū)LinuxRAID結構RAID－RedundantArraysofInexpensiveDisks可靠性考慮磁盤可靠性引入冗余性能考慮（數(shù)據(jù)分散）位級分散：數(shù)據(jù)的各個位分散在多個磁盤上塊級分散：數(shù)據(jù)以塊為單位分散在多個磁盤上RAID被分成了多個不同級別RAID0-RAID7RAID01，RAID10，RAID5E，RAID5EE，RAID50RAID的級別RAID(0+1)and(1+0)三級存儲結構低價格是三級存儲的主要特征。通常，三級存儲是用可移動媒介制造的。最為普通的可移動媒介有軟盤、CD-ROM和磁帶，還有其他類型的三級存儲設備?？梢苿哟疟P軟盤－由薄而靈活的盤片加上磁性涂料和保護性塑料盒所制成。大多數(shù)軟盤只能存儲約1MB，但相似技術可用于制造可容納1GB的可移動磁盤?？梢苿哟疟P與硬盤幾乎一樣，但其記錄層更容易因刮擦而受損?？梢苿哟疟P（續(xù)）磁光盤將數(shù)據(jù)記錄在涂有磁性材料的硬盤片上。激光被用來使大而弱的磁場就能記錄一位。采用一種稱為Kerr效應的方法來讀取數(shù)據(jù)。與磁頭相比，磁光頭飛行時離表面更高，而且磁材料上加蓋了較厚的塑料或玻璃的保護層，使磁光盤更能抵抗磁頭碰撞。光盤根本不使用磁。它們使用特殊材料，可以被激光所改變。一次寫多次讀的盤讀寫盤上的數(shù)據(jù)可以多次被修改。WORM盤只能被寫一次。鋁薄膜盤片夾在兩個玻璃或塑料盤片間。當寫一位時，驅動器使用激光在鋁薄膜上燒一小孔。信息可以被刪除但不能被修改。WORM盤是可靠的、經(jīng)久的。只讀盤，如CD-ROM和DVD，從生產(chǎn)廠家出來時就有數(shù)據(jù)了。磁帶相比磁盤，磁帶更便宜且能存儲更多的數(shù)據(jù)，但磁帶的隨機訪問要比磁盤慢很多。對于不需要快速隨機訪問的情況，如磁盤數(shù)據(jù)的備份、存儲海量數(shù)據(jù)，磁帶更為經(jīng)濟。大型磁帶裝置通常使用磁帶機器人以在磁帶驅動器和磁帶庫的存儲位之間移動磁帶。棧式存儲器－保存一些磁帶的庫。隊式存儲器－保存數(shù)以千計的磁帶的庫。一個磁盤駐留文件可以存檔到磁帶上，以節(jié)省存儲成本；當需要該文件時，計算機可將它調回到磁盤以便經(jīng)常使用。層次存儲管理(HSM)層次存儲系統(tǒng)擴展了存儲層次，使其不僅包括內存和外存，還包括可移動存儲－通常采用磁帶或可移動盤塔來實現(xiàn)?？梢苿哟鎯νǔＳ脕頂U展文件系統(tǒng)。小且經(jīng)常使用的文件保留在磁盤上。大而舊且不常使用的文件可以備份到塔。HSM通常用于超級計算機中心和其他大型企業(yè)，以處理海量數(shù)據(jù)。速度第三級存儲的速度表現(xiàn)在兩個方面：帶寬和延遲。帶寬按照每秒多少字節(jié)來測量。持續(xù)帶寬－一個大傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)速率，即字節(jié)數(shù)量/傳輸時間。

是數(shù)據(jù)真正流動時的數(shù)據(jù)速率。有效帶寬－計算整個I/O時間內（包括尋道或定位時間、盤片切換時間等）的平均值。

是驅動器所提供的總體數(shù)據(jù)速率。速度（續(xù)）訪問延遲－定位數(shù)據(jù)所需的時間。磁盤的訪問時間－移動磁臂到給定柱面，等待旋轉延遲，<35ms。磁帶的訪問需要纏繞磁帶，直到所選塊位于磁頭之下，可能需要數(shù)百秒或數(shù)千秒。一般來說，磁帶的隨機訪問要比磁盤的隨機訪問慢數(shù)千倍。第三級存儲的低價格主要是由于大量便宜磁帶和少量昂貴驅動器。由于庫只能滿足相對小數(shù)量的每小時的I/O請求，所以可移動庫最適用于不常使用數(shù)據(jù)的存